Kvantumszámítógépek és kvantumszámítástechnika – újdonság , amely azzal együtt került fel információs terünkbe , és egyéb high-tech kifejezések. Ugyanakkor soha nem találtam olyan anyagot az interneten, amely összerakta volna a fejemben nevezett rejtvényt „hogyan működnek a kvantumszámítógépek”. Igen, sok kiváló munka van, köztük a Habrról (lásd. ), kommentek, amelyekhez, ahogy az lenni szokott, még informatívabbak és hasznosabbak, de a fejemben a kép, ahogy mondani szokták, nem állt össze.
Nemrég pedig odajöttek hozzám a kollégáim, és megkérdezték: „Érted, hogyan működik a kvantumszámítógép? Meg tudod mondani nekünk?" És akkor rájöttem, hogy nem csak nekem van gondom azzal, hogy összefüggő képet állítsak össze a fejemben.
Ennek eredményeként kísérletet tettek a kvantumszámítógépekre vonatkozó információk összeállítására egy konzisztens logikai áramkörbe, amelyben alapszinten, a matematikában és a kvantumvilág szerkezetében való mély elmélyülés nélkül, elmagyarázták, mi az a kvantumszámítógép, milyen elvek alapján működik, és milyen problémákkal kell szembenézniük a tudósoknak a létrehozása és működtetése során.
tartalomjegyzék
Jogi nyilatkozat
A szerző nem szakértője a kvantumszámításnak, és A cikk célközönsége ugyanazok az informatikusok, nem kvantumspecialisták, akik szintén szeretnének egy képet összerakni a fejükben, „Hogyan működnek a kvantumszámítógépek” címmel. Emiatt a cikkben szereplő számos fogalmat szándékosan leegyszerűsítették, hogy jobban megértsék a kvantumtechnológiákat „alap” szinten, de anélkül .
A cikk egyes helyeken más forrásból származó anyagokat használ, . Ahol lehetséges, az eredeti szövegre, táblázatra vagy ábrára mutató közvetlen hivatkozásokat és utalásokat kell beilleszteni. Ha valamit (vagy valakit) elfelejtettem valahol, írj és kijavítom.
Bevezetés
Ebben a fejezetben röviden áttekintjük, hogyan kezdődött a kvantumkorszak, mi volt a motiváló oka a kvantumszámítógép ötletének, kik (mely országok és vállalatok) jelenleg a vezető szereplők ezen a területen, valamint röviden szólunk. a kvantumszámítás főbb fejlődési irányairól.
Hogyan kezdődött minden
A kvantumkorszak kiindulópontjának 1900-at tekintik, amikor M. Planck először terjesztette elő hogy az energia nem folyamatosan, hanem külön kvantumokban (részekben) bocsát ki és nyel el. Az ötletet az akkori idők számos kiváló tudósa – Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger – felvette és továbbfejlesztette, ami végül egy olyan tudomány létrejöttéhez és fejlődéséhez vezetett, mint pl. . Az interneten rengeteg jó anyag található a kvantumfizika, mint tudomány kialakulásáról, ebben a cikkben nem térünk ki erre részletesen, de mindenképpen jelezni kellett az új kvantumkorszakba lépés dátumát.
A kvantumfizika számos találmányt és technológiát hozott mindennapjainkba, amelyek nélkül ma már nehéz elképzelni a minket körülvevő világot. Például egy lézer, amit ma már mindenhol használnak, a háztartási gépektől (lézerszintek stb.) a csúcstechnológiás rendszerekig (látásjavító lézerek, hello) ). Logikus lenne azt feltételezni, hogy előbb-utóbb valakinek az a gondolata támad, hogy miért ne használnánk kvantumrendszereket a számításokhoz. Aztán 1980-ban megtörtént.
A Wikipédia azt jelzi, hogy a kvantumszámítás első gondolatát 1980-ban Yuri Manin tudós fogalmazta meg. De igazán csak 1981-ben kezdtek beszélni róla, amikor a jól ismert R. Feynman , megjegyezte, hogy lehetetlen egy kvantumrendszer evolúcióját hatékonyan szimulálni klasszikus számítógépen. Elemi modellt javasolt , amely képes lesz ilyen modellezésre.
Van egy ahol akadémikusan és részletesebben megvizsgáljuk, de röviden áttekintjük:
Főbb mérföldkövek a kvantumszámítógépek létrehozásának történetében:
- [1994]. P. Shore. Tervezte
- [1998]. Létrehozva
- [2001]. Az IBM bevezette a végrehajtást 15. szám bővítésére
- [2007-2016]. 128-2000 qubites számítógépet készít és fejleszt
- [2012]. A Kaliforniai Egyetemen valósították meg
- [2016]. Google 9 qubites számítógépen
- [2017]. (három atom)
- [2019]. . 20 qubites számítógép a felhőben
- [2019]. . 53 qubit-es számítógép. ?
Mint látható, 17 év telt el (1981-től 1998-ig) az ötlettől az első megvalósításig egy 2 qubites számítógépben, és 21 év (1998-tól 2019-ig), amíg a qubitek száma 53-ra nőtt. 11 évbe telt (2001-től 2012-ig), hogy a Shor-algoritmus eredményét (kicsit később részletesebben is megnézzük) a 15-ös számról 21-re javítsuk. Ráadásul mindössze három éve jutottunk el odáig, hogy megvalósítani azt, amiről Feynman beszélt, és megtanulni modellezni a legegyszerűbb fizikai rendszereket.
A kvantumszámítástechnika fejlődése lassú. A tudósoknak és mérnököknek nagyon nehéz feladatokkal kell szembenézniük, a kvantumállapotok nagyon rövid életűek és törékenyek, és ahhoz, hogy a számítások elvégzéséhez elegendő ideig megőrizzék őket, több tízmillió dollárért szarkofágokat kell építeniük, amelyekben a hőmérsékletet fenntartják. csak éppen az abszolút nulla felett, és amelyek maximálisan védettek a külső hatásoktól. A továbbiakban ezekről a feladatokról és problémákról lesz szó részletesebben.
Vezető játékosok
A szakasz diákjai a cikkből származnak , a kutatótól Alekszej Fedorov. Hadd adjak közvetlen idézeteket:
Jelenleg minden technológiailag sikeres ország aktívan fejleszt kvantumtechnológiákat. Hatalmas összeget fektetnek be ebbe a kutatásba, és speciális programokat hoznak létre a kvantumtechnológiák támogatására.
Nemcsak államok, hanem magáncégek is részt vesznek a kvantumversenyben. A Google, az IBM, az Intel és a Microsoft a közelmúltban összesen mintegy 0,5 milliárd dollárt fektetett be kvantumszámítógépek fejlesztésébe, és nagy laboratóriumokat és kutatóközpontokat hozott létre.
Sok cikk van Habréról és az interneten, pl. , и , amelyben részletesebben megvizsgálják a kvantumtechnológiák fejlesztésének jelenlegi állását a különböző országokban. Számunkra most az a legfontosabb, hogy minden vezető technológiailag fejlett ország és szereplő hatalmas összegeket fektet be az ilyen irányú kutatásokba, ami reményt ad a jelenlegi technológiai zsákutcából való kiutat illetően.
Fejlesztési irányok
Jelenleg (lehet, hogy tévedek, javítsatok ki) az összes vezető játékos fő erőfeszítései (és többé-kevésbé jelentős eredményei) két területen összpontosulnak:
- Speciális kvantumszámítógépek, amelyek egy konkrét probléma, például egy optimalizálási probléma megoldására irányulnak. Ilyen termék például a D-Wave kvantumszámítógép.
- Univerzális kvantumszámítógépek — amelyek tetszőleges kvantum algoritmusok megvalósítására képesek (Shor, Grover stb.). Implementációk az IBM-től, Google-tól.
Más fejlődési vektorok, amelyeket a kvantumfizika ad nekünk, például:
- alapjaként
- és még sok más
Természetesen ez is szerepel a kutatási területek listáján, de jelenleg úgy tűnik, nincs több vagy kevésbé jelentős eredmény.
Ezen kívül lehet olvasni , hát, google"", Például, , и .
Alapok. Kvantumobjektum és kvantumrendszerek
A legfontosabb dolog, amit ebből a részből meg kell érteni, az az
Kvantum számítógép (a megszokottól eltérően) információhordozóként használja kvantum objektumok, és a számítások elvégzéséhez kvantumobjektumokat kell csatlakoztatni kvantumrendszer.
Mi az a kvantumobjektum?
Kvantum objektum - a mikrovilág (kvantumvilág) objektuma, amely kvantumtulajdonságokat mutat:
- Van egy meghatározott állapota két határszinttel
- Állapotának szuperpozíciójában van a mérés pillanatáig
- Összefonódik más objektumokkal, hogy kvantumrendszereket hozzon létre
- Teljesíti a klónozás tilalmát (az objektum állapota nem másolható)
Nézzük meg részletesebben az egyes ingatlanokat:
Van egy meghatározott állapota két határszinttel (végállapot)
Klasszikus valós példa az érme. Van egy „oldalsó” állapota, amely két határszintet vesz fel - „fejek” és „farok”.
Állapotának szuperpozíciójában van a mérés pillanatáig
Feldobtak egy érmét, az repül és forog. Míg forog, nem lehet megmondani, hogy melyik határszinten található az „oldal” állapota. De amint lecsapjuk és megnézzük az eredményt, az állapotok szuperpozíciója azonnal összeomlik a két határállapot egyikébe – a „fejekbe” és a „farokba”. Az érme lecsapása esetünkben mérés.
Összefonódik más objektumokkal, hogy kvantumrendszereket hozzon létre
Nehéz az érmével, de próbáljuk meg. Képzeld el, hogy feldobtunk három érmét úgy, hogy azok egymáshoz tapadva forogjanak, ez az érmékkel való zsonglőrködés. Minden egyes időpillanatban nemcsak mindegyik állapot szuperpozíciójában van, hanem ezek az állapotok kölcsönösen befolyásolják egymást (az érmék ütköznek).
Teljesíti a klónozás tilalmát (az objektum állapota nem másolható)
Amíg az érmék repülnek és forognak, semmilyen módon nem tudunk másolatot készíteni az érmék forgási állapotáról, külön a rendszertől. A rendszer önmagában él, és nagyon féltékeny, ha bármilyen információt kiad a külvilágnak.
Még néhány szó magáról a koncepcióról „szuperpozíciók”, szinte minden cikkben a szuperpozíciót úgy magyarázzák "egyszerre minden állapotban van", ami persze igaz, de időnként szükségtelenül zavaró. Az állapotok szuperpozíciója úgy is elképzelhető, mint az a tény, hogy egy kvantumobjektum az idő minden pillanatában rendelkezik van bizonyos valószínűsége annak, hogy minden határszintre összeomlik, és ezek a valószínűségek összességében természetesen egyenlők 1-gyel. Később, amikor a qubitet vizsgáljuk, erről részletesebben is kitérünk.
Érmék esetében ez megjeleníthető - a kezdeti sebességtől, a dobás szögétől, a környezet állapotától, amelyben az érme repül, minden egyes pillanatban eltérő a „fej” vagy „farok” megszerzésének valószínűsége. És amint azt korábban említettük, egy ilyen repülő érme állapota úgy képzelhető el, hogy „egyszerre minden határállapotban van, de megvalósításuk valószínűsége eltérő”.
Bármely objektum, amelyre a fenti tulajdonságok teljesülnek, és amelyet létrehozhatunk és irányíthatunk, felhasználható információhordozóként egy kvantumszámítógépben.
Kicsit tovább fogunk beszélni a qubitek kvantumobjektumként való fizikai megvalósításának jelenlegi állapotáról, és arról, hogy mit használnak a tudósok ebben a minőségben.
Tehát a harmadik tulajdonság azt mondja ki, hogy a kvantumobjektumok összegabalyodhatnak, hogy kvantumrendszereket hozzanak létre. Mi az a kvantumrendszer?
Kvantumrendszer — összefonódott kvantumobjektumok rendszere a következő tulajdonságokkal:
- A kvantumrendszer azon objektumok összes lehetséges állapotának szuperpozíciójában van, amelyekből áll
- A mérés pillanatáig nem lehet tudni a rendszer állapotát
- A rendszer a mérés pillanatában a határállapotainak egyik lehetséges változatát valósítja meg
(és egy kicsit előre tekintve)
Következmény a kvantumprogramokhoz:
- A kvantumprogramnak a rendszer adott állapota van a bemeneten, szuperpozíciója belül, szuperpozíciója a kimeneten
- A program kimenetén a mérés után a rendszer egyik lehetséges végállapotának valószínűségi implementációja van (plusz az esetleges hibák)
- Bármely kvantumprogramnak van kémény architektúrája (bemenet -> kimenet. Nincsenek hurkok, a folyamat közepén nem lehet látni a rendszer állapotát.)
Egy kvantumszámítógép és egy hagyományos számítógép összehasonlítása
Hasonlítsunk össze egy hagyományos és egy kvantum számítógépet.
| rendes számítógép | Kvantum számítógép | |
|
Logika
|
0 / 1 | `a|0> + b|1>, a^2+b^2=1` |
|
Fizika
|
Félvezető tranzisztor | Kvantum objektum |
|
Információhordozó
|
Feszültségszintek | Polarizáció, spin,… |
|
művelet
|
NEM, ÉS, VAGY, XOR bitek felett | Szelepek: CNOT, Hadamard,… |
|
Kapcsolat
|
Félvezető chip | Összezavarodás egymással |
|
Algoritmusok
|
Normál (lásd Whip) | Különleges ajánlatok (Shore, Grover) |
|
alapelv
|
Digitális, determinisztikus | Analóg, valószínűségi |
Logikai szint
Egy normál számítógépen ez egy kicsit. Jól ismert számunkra determinisztikus bit. 0 vagy 1 értéket vehet fel. Tökéletesen megbirkózik a szereppel logikai egység rendes számítógéphez, de az állapot leírására teljesen alkalmatlan kvantum objektum, amely, mint már említettük, a vadonban találhatóhatárállapotaik szuperpozíciói.
Ezt találták ki . Határállapotaiban a 0-hoz és az 1-hez hasonló állapotokat valósít meg , és szuperpozícióban képviseli valószínűségi eloszlás a határállapotai között |0> и |1>:
a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1a és b képviselik , és a moduljaik négyzete a tényleges valószínűsége annak, hogy a határállapotok pontosan ilyen értékeit kapjuk meg. |0> и |1>, ha most összecsukja a qubitet egy méréssel.
Fizikai réteg
A jelenlegi technológiai fejlettségi szinten a bit fizikai megvalósítása egy hagyományos számítógéphez az félvezető tranzisztor, a kvantum esetében, ahogy már mondtuk, bármilyen kvantumobjektum. A következő részben arról fogunk beszélni, hogy jelenleg mit használnak a qubitek fizikai adathordozójaként.
Közepes tárhely
Egy normál számítógép esetében ez elektromos áram - feszültségszintek, áram megléte vagy hiánya stb., kvantum esetén - ugyanaz egy kvantumobjektum állapota (polarizáció iránya, spin stb.), amely szuperpozíciós állapotban lehet.
művelet
A logikai áramkörök hagyományos számítógépen való megvalósításához jól ismerteket használunk , a qubiteken végzett műveletekhez egy teljesen más műveleti rendszert kellett kidolgozni, az ún . A kapuk lehetnek egy- vagy két-kubitesek, attól függően, hogy hány qubitet alakítanak át.
Példák kvantumkapukra:
Van egy koncepció univerzális szelepkészlet, amelyek elegendőek bármilyen kvantumszámítás elvégzéséhez. Például egy univerzális készlet tartalmaz egy Hadamard kaput, egy fáziseltolásos kaput, egy CNOT kaput és egy π⁄8 kaput. Segítségükkel bármilyen kvantumszámítást elvégezhet egy tetszőleges qubit halmazon.
Ebben a cikkben nem foglalkozunk részletesen a kvantumkapuk rendszerével, többet olvashat róluk és a qubiteken végzett logikai műveletekről, pl. . A legfontosabb dolog, amit emlékezni kell:
- A kvantumobjektumokkal végzett műveletekhez új logikai operátorok (kvantumkapu) létrehozása szükséges.
- A kvantumkapuk egy- és két-kubites típusban kaphatók.
- Vannak univerzális kapukészletek, amelyek bármilyen kvantumszámítás elvégzésére használhatók
Kapcsolat
Egy tranzisztor teljesen használhatatlan számunkra, a számítások elvégzéséhez sok tranzisztort kell egymáshoz kötnünk, azaz több millió tranzisztorból félvezető chipet kell létrehozni, amelyre logikai áramköröket építhetünk, és végül kap egy modern processzort a klasszikus formájában.
Egy qubit is teljesen haszontalan számunkra (jó, ha csak tudományos szempontból),
a számítások elvégzéséhez qubit (kvantumobjektum) rendszerre van szükségünk
amely, mint már mondtuk, úgy jön létre, hogy a qubiteket összefonják egymással, így azok állapotváltozásai összehangoltan következnek be.
Algoritmusok
Az emberiség által a mai napig felhalmozott szabványos algoritmusok teljességgel alkalmatlanok kvantumszámítógépen való megvalósításra. Igen, általában nincs szükség rá. A qubitek feletti kapulogikán alapuló kvantumszámítógépek teljesen más algoritmusok, kvantum algoritmusok létrehozását igénylik. A legismertebb kvantumalgoritmusok közül három különböztethető meg:
- (faktorizáció)
- (gyors keresés rendezetlen adatbázisban)
- (válasz a kérdésre, állandó vagy kiegyensúlyozott függvény)
alapelv
És a legfontosabb különbség a működési elv. Egy szabványos számítógép esetében ez digitális, szigorúan determinisztikus elv, abból kiindulva, hogy ha beállítjuk a rendszer valamilyen kezdeti állapotát, és egy adott algoritmuson átengedjük, akkor a számítások eredménye ugyanaz lesz, akárhányszor futtatjuk le ezt a számítást. Valójában ez a viselkedés pontosan az, amit elvárunk egy számítógéptől.
A kvantumszámítógép működik analóg, valószínűségi elv. Egy adott algoritmus eredménye egy adott kezdeti állapotban az minta valószínűségi eloszlásból az algoritmus végső megvalósításai, valamint a lehetséges hibák.
A kvantumszámításnak ez a valószínűségi jellege a kvantumvilág nagyon valószínűségi lényegének köszönhető. "Isten nem kockáztat az univerzummal.", mondta az öreg Einstein, de minden eddigi kísérlet és megfigyelés (a jelenlegi tudományos paradigmában) ennek az ellenkezőjét igazolja.
A qubitek fizikai megvalósításai
Mint már említettük, egy qubit ábrázolható kvantum objektummal, vagyis olyan fizikai objektummal, amely megvalósítja a fent leírt kvantumtulajdonságokat. Azaz durván szólva bármely fizikai objektum, amelyben két állapot van, és ez a két állapot szuperpozíciós állapotban van, felhasználható kvantumszámítógép megépítésére.
„Ha egy atomot két különböző szintre tudunk helyezni, és irányítani tudjuk őket, akkor van egy qubit. Ha ezt meg tudjuk tenni egy ionnal, az egy kubit. Az árammal is így van. Ha az óramutató járásával megegyezően és az óramutató járásával ellentétes irányba forgatjuk egyszerre, akkor van egy qubited."
Van к , amelyben részletesebben megvizsgáljuk a qubit fizikai megvalósításainak jelenlegi változatosságát, egyszerűen felsoroljuk a legismertebbeket és leggyakoribbakat:
- és sok más egzotikus ötlet (anionok stb.)
E változatosság közül a legfejlettebb a qubitek megszerzésének első módszere, amely alapján . , , és más vezető szereplők használják rendszereik felépítéséhez.
Nos, olvass tovább lehetséges qubits from .
Alapok. Hogyan működik a kvantumszámítógép
Az ehhez a részhez tartozó anyagok (feladat és képek) a cikkből származnak .
Tehát képzeljük el, hogy a következő feladatunk van:
Van egy három fős csoport: (A)ndrey, (B)olodya és (C)erezha. Két taxi van (0 és 1).
Az is ismert, hogy:
- (A)ndrey, (B)olodya barátok
- (A)ndrey, (C)erezha ellenségek
- (B)olodya és (C)erezha ellenségek
Feladat: Helyezzen embereket a taxikba úgy, hogy Max(barátok) и Min(ellenségek)
Értékelés: L = (barátok száma) - (ellenségek száma) minden szálláslehetőséghez
FONTOS: Feltételezve, hogy nincs heurisztika, nincs optimális megoldás. Ebben az esetben a probléma csak a lehetőségek teljes keresésével oldható meg.
Megoldás normál számítógépen
Hogyan lehet megoldani ezt a problémát egy normál (szuper) számítógépen (vagy klaszteren) - ez egyértelmű át kell tekintenie az összes lehetséges opciót. Ha többprocesszoros rendszerünk van, akkor párhuzamosíthatjuk a megoldások számítását több processzoron keresztül, majd összegyűjthetjük az eredményeket.
2 lehetséges szálláslehetőségünk van (taxi 0 és taxi 1) és 3 fő. Megoldás tér 2 ^ 3 = 8. Egy számológép segítségével akár 8 opciót is végig lehet menni, ez nem probléma. Most bonyolítsuk le a problémát – 20 emberünk és két buszunk van, a megoldás helye 2^20 = 1 048 576. Semmi bonyolult sem. Növeljük a létszámot 2.5-szeresére - 50 fővel és két vonattal, a megoldás tér most 2^50 = 1.12 x 10^15. Egy hétköznapi (szuper) számítógépnek már kezdenek komoly gondjai lenni. Növeljük a létszámot 2-szeresére, 100 fő már ad 1.2 x 10^30 lehetséges opciók.
Ez az, ezt a feladatot nem lehet ésszerű időn belül kiszámítani.
Szuperszámítógép csatlakoztatása
A legerősebb számítógép jelenleg az 1. számú Az , termelékenység 122 . Tegyük fel, hogy egy opció kiszámításához 100 műveletre van szükségünk, majd a 100 emberre vonatkozó probléma megoldásához szükségünk lesz:
(1.2 x 10^30 100) / 122 × 10^15 / (606024365) = 3 x 10^37 év.
Ahogy látjuk a kiindulási adatok dimenziójának növekedésével a megoldási tér hatványtörvény szerint növekszik, általános esetben N bitre 2^N lehetséges megoldási lehetőségünk van, ami viszonylag kis N (100) esetén kiszámítatlan (jelen technológiai szinten) megoldási teret ad.
Vannak alternatívák? Amint azt sejteni lehetett, igen, van.
Mielőtt azonban rátérnénk arra, hogy a kvantumszámítógépek hogyan és miért képesek hatékonyan megoldani az ehhez hasonló problémákat, szánjunk egy percet annak összefoglalására, hogy mik is ezek. Valószínűségi eloszlás. Ne ijedj meg, ez egy összefoglaló cikk, nem lesz itt kemény matematika, beérjük a klasszikus példával, táskával és labdákkal.
Csak egy kis kombinatorika, valószínűségszámítás és egy furcsa kísérletező
Vegyünk egy zacskót és tegyük bele 1000 fehér és 1000 fekete golyó. Kísérletet végzünk - vegyük ki a labdát, írjuk le a színt, tegyük vissza a labdát a zacskóba, és keverjük össze a golyókat a zacskóban.
A kísérletet 10 alkalommal végezték el, kihúzott 10 fekete golyót. Talán? Egészen. Ad-e ez a minta ésszerű elképzelést a valódi eloszlásról a tasakban? Nyilvánvalóan nem. Mit kell tenni – igaz, pismételje meg a kísérletet milliószor, és számítsa ki a fekete-fehér golyók gyakoriságát. Kapunk pl 49.95% fekete és 50.05% fehér. Ebben az esetben már többé-kevésbé világos annak az eloszlásnak a szerkezete, amelyből mintát veszünk (kiveszünk egy labdát).
A legfontosabb, hogy ezt megértsük maga a kísérlet valószínűségi természetű, egyetlen mintával (golyóval) nem ismerjük meg az eloszlás valódi szerkezetét, sokszor meg kell ismételnünk a kísérletet és átlagolja az eredményeket.
Tegyük a táskánkba 10 piros és 10 zöld golyó (hibák). Ismételjük meg a kísérletet 10-szer. BAN BENkihúzott 5 pirosat és 5 zöldet. Talán? Igen. Mondhatunk valamit a valódi eloszlásról – Nem. Mit kell tenni – nos, érted.
A valószínűségi eloszlás szerkezetének megértéséhez ismételten mintát kell venni az egyes eredményekből ebből az eloszlásból, és az eredményeket átlagolni kell.
Az elmélet összekapcsolása a gyakorlattal
Most a fekete-fehér golyók helyett vegyünk biliárdlabdákat és tegyük egy zacskóba 1000 golyó 2-es számmal, 1000 7-es számmal és 10 golyó más számokkal. Képzeljünk el egy kísérletezőt, aki a legegyszerűbb műveletekre van kiképezve (kivesz egy labdát, felírja a számot, visszateszi a labdát a zacskóba, összekeveri a golyókat a zacskóban), és ezt 150 mikroszekundum alatt teszi meg. Hát egy ilyen gyorsasági kísérletező (nem gyógyszerreklám!!!). Majd 150 másodperc alatt 1 milliószor tudja végrehajtani a kísérletünket és adja meg nekünk az átlagoló eredményeket.
Leültették a kísérletezőt, adtak neki egy zacskót, elfordultak, vártak 150 másodpercet, és megkapták:
2. szám - 49.5%, 7. szám - 49.5%, a fennmaradó számok összesen - 1%.
Igen ez így van, a táskánk egy kvantumszámítógép, amelynek algoritmusa megoldja a problémánkat, és a golyók a lehetséges megoldások. Mivel két helyes megoldás létezik, akkor egy kvantumszámítógép a lehetséges megoldások bármelyikét egyenlő valószínűséggel és 0.5%-os (10/2000) hibával megadja, amiről később beszélünk.
A kvantumszámítógép eredményének megszerzéséhez többször le kell futtatnia a kvantum algoritmust ugyanazon a bemeneti adathalmazon, és átlagolnia kell az eredményt.
A kvantumszámítógép skálázhatósága
Most képzeljük el, hogy egy 100 embert érintő feladatnál (megoldási tér 2^100 emlékszünk erre), szintén csak két helyes döntés létezik. Ekkor ha veszünk 100 qubitet, és írunk egy algoritmust, amely kiszámolja a célfüggvényünket (L, lásd fent) ezekre a qubitekre, akkor kapunk egy zsákot, amelyben 1000 golyó lesz az első helyes válasz számával, 1000 a második helyes válasz száma és 10 golyó más számokkal. És ugyanezen 150 másodpercen belül a kísérletezőnk becslést ad a helyes válaszok valószínűségi eloszlására.
Egy kvantumalgoritmus végrehajtási ideje (néhány feltevéssel) O(1) konstansnak tekinthető a megoldási tér (2^N) dimenziójához képest.
És pontosan ez a kvantumszámítógép tulajdonsága - futásidejű állandóság a növekvő hatványtörvényhez kapcsolódóan a megoldási tér összetettsége a kulcs.
Qubit és párhuzamos világok
Hogyan történik ez? Mi teszi lehetővé a kvantumszámítógép számára, hogy ilyen gyorsan végezzen számításokat? Az egész a qubit kvantumtermészetéről szól.
Nézd, azt mondtuk, hogy a kubit olyan, mint egy kvantumobjektum megfigyeléskor felismeri két állapota egyikét, de a „vad természetben” benne van állapotok szuperpozíciói, azaz egyszerre van mindkét peremállapotában (bizonyos valószínűséggel).
vesz (A)ndreya és képzeld el az állapotát (melyik járműben van - 0 vagy 1) qubitként. Akkor van (a kvantumtérben) két párhuzamos világ, egyben (A) 0 taxiban ül, egy másik világban - 1 taxiban. Egyszerre két taxiban, de bizonyos valószínűséggel mindegyikben megtalálják a megfigyelés során.
vesz (B) fiatal és képzeljük el az állapotát is kubitként. Két másik párhuzamos világ keletkezik. De egyelőre ezek a világpárok (A) и (NÁL NÉL) egyáltalán ne lépjen kapcsolatba egymással. Mit kell tenni a létrehozáshoz összefüggő rendszer? Így van, szükségünk van ezekre a qubitekre lekötni (összezavarni). Fogjuk és összekeverjük (A) és (B) — két qubitből álló kvantumrendszert kapunk (A, B), felismerve magában négy egymástól kölcsönösen függő párhuzamos világok. Hozzáadás (S)ergey és kapunk egy három qubit rendszert (ABC), nyolc megvalósítása egymástól kölcsönösen függő párhuzamos világok.
A kvantumszámítás (kvantumkapuk láncának megvalósítása összekapcsolt qubitek rendszerén) lényege az, hogy a számítás minden párhuzamos világban egyidejűleg történik.
És nem számít, hányan vagyunk, 2^3 vagy 2^100, a kvantumalgoritmus véges időben fog végrehajtódni ezeken a párhuzamos világokon és ad nekünk egy eredményt, amely egy minta az algoritmus válaszainak valószínűségi eloszlásából.
A jobb megértés érdekében ezt el lehet képzelni a kvantumszintű kvantumszámítógép 2^N párhuzamos megoldási folyamatot futtat, akik mindegyike egy lehetséges opción dolgozik, majd összegyűjti a munka eredményét - és megadja nekünk a választ a megoldás szuperpozíciója formájában (a válaszok valószínűségi eloszlása), amelyből minden alkalommal (minden kísérlethez) egyet mintát veszünk.
Emlékezzen a kísérletezőnk által igényelt időre (150 µs) a kísérlet elvégzéséhez ez egy kicsit a továbbiakban hasznos lesz számunkra, amikor a kvantumszámítógépek főbb problémáiról és a dekoherencia időről beszélünk.
Kvantum algoritmusok
Mint már említettük, a bináris logikán alapuló hagyományos algoritmusok nem alkalmazhatók kvantumlogikát (kvantumkapukat) használó kvantumszámítógépre. Számára olyan újakat kellett kitalálnia, amelyek teljes mértékben kiaknázzák a számítástechnika kvantumtermészetében rejlő lehetőségeket.
A mai legismertebb algoritmusok:
A klasszikusokkal ellentétben a kvantumszámítógépek nem univerzálisak.
Eddig csak kis számú kvantum algoritmust találtak.
Köszönöm a linkhez , egy hely, ahol a szerző szerint (), a kvantum-algoritmikus világ legjobb képviselőit gyűjtötték össze és gyűlnek tovább.
Ebben a cikkben nem elemezzük részletesen a kvantumalgoritmusokat, sok kiváló anyag található az interneten bármilyen bonyolultsági szinthez, de röviden át kell tekintenünk a három leghíresebbet.
Shor algoritmusa.
A leghíresebb kvantum algoritmus az (1994-ben találta fel egy angol matematikus ), amely a számok prímtényezőkké alakításának problémájának megoldására irányul (faktorizációs probléma, diszkrét logaritmus).
Ezt az algoritmust említik példaként, amikor azt írják, hogy hamarosan feltörik a bankrendszereit és jelszavait. Tekintettel arra, hogy a manapság használt kulcsok hossza nem kevesebb, mint 2048 bit, még nem jött el a cap ideje.
A mai napig több mint szerény. A legjobb faktorizációs eredmények Shor algoritmusával – Számok и , ami jóval kevesebb, mint 2048 bit. A táblázat többi eredményéhez egy másik számításokat, de még az ezen algoritmus szerinti legjobb eredmény (291311) is nagyon távol áll a valós alkalmazástól.
Shor algoritmusáról bővebben olvashat, pl.. A gyakorlati megvalósításról - .
Az egyik bonyolultsága és szükséges teljesítménye egy 2048 bites szám figyelembevételéhez egy számítógép . Nyugodtan alszunk.
Grover algoritmusa
- a felsorolási feladat megoldása, vagyis az egyenlet megoldásának megtalálása F(X) = 1, ahol F -tól n változók. Egy amerikai matematikus javasolta в .
Grover algoritmusával lehet megtalálni и számsorozat. Ezen kívül megoldható problémákat a sok lehetséges megoldás közötti kimerítő kereséssel. Ez jelentős sebességnövekedéssel járhat a klasszikus algoritmusokhoz képest, bár nem biztosít "" általában.
Bővebben olvashatszVagy . több Van egy jó magyarázat az algoritmusra a dobozok és egy labda példáján, de sajnos senkitől független okok miatt ez az oldal nem nyílik meg számomra Oroszországból. Ha van szintén le van tiltva, ezért íme egy rövid összefoglaló:
Grover algoritmusa. Képzelje el, hogy N darab számozott zárt doboza van. Mindegyik üres, kivéve egyet, amelyikben van egy labda. Az Ön feladata: találja meg annak a doboznak a számát, amelyben a labda található (ezt az ismeretlen számot gyakran w betűvel jelölik).
Hogyan lehet megoldani ezt a problémát? A leghülyébb módszer az, ha felváltva nyitogatod a dobozokat, és előbb-utóbb rábukkansz egy dobozra, amin egy labdás van. Átlagosan hány dobozt kell ellenőrizni, mielőtt megtalálják a labdát tartalmazó dobozt? Átlagosan az N/2 dobozok körülbelül felét kell kinyitnia. A lényeg itt az, hogy ha a dobozok számát 100-szorosára növeljük, akkor a golyóval ellátott doboz megtalálása előtt ki kell nyitni a dobozok átlagos száma is ugyanekkora 100-szorosára nő.
Most tegyünk még egy pontosítást. Ne nyissuk ki magunk a dobozokat a kezünkkel és ellenőrizzük, hogy van-e labda mindegyikben, hanem van egy közvetítő, nevezzük Orákulumnak. Azt mondjuk az Oracle-nek, hogy „jelölje be a 732-es négyzetet”, az Oracle pedig őszintén ellenőrzi, és azt válaszolja: „nincs golyó a 732-es mezőben”. Most ahelyett, hogy azt mondanánk, hogy átlagosan hány dobozt kell kinyitnunk, inkább azt mondjuk, hogy „átlagosan hányszor menjünk el az Orákulumhoz, hogy megtaláljuk a labdával ellátott doboz számát”
Kiderült, hogy ha ezt a problémát a dobozokkal, egy labdával és az Orákulumokkal kvantumnyelvre fordítjuk, figyelemre méltó eredményt kapunk: ahhoz, hogy megtaláljuk a labdás doboz számát N doboz között, csak az SQRT körül kell megzavarnunk az Oracle-t. (N) alkalommal!
Vagyis a Grover-algoritmust használó keresési feladat összetettsége az idők négyzetgyökével csökken.
Deutsch-Jozi algoritmus
Deutsch-Jozsa algoritmus (más néven Deutsch-Jozsa algoritmus) - [kvantum-algoritmus](%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный и в , és az egyik első példa lett azokra az algoritmusokra, amelyeken végrehajthatók . _
A Deutsch-Jozsi probléma annak meghatározása, hogy több F(x1, x2, ... xn) bináris változóból álló függvény konstans (bármilyen argumentumhoz 0 vagy 1 értéket vesz fel) vagy kiegyensúlyozott (a tartomány felében). az érték 0, a másik felénél 1). Ebben az esetben eleve ismertnek tekinthető, hogy a függvény vagy állandó, vagy kiegyensúlyozott.
Többet lehet olvasni . Egy egyszerűbb magyarázat:
A Deutsch (Deutsch-Jozsi) algoritmus a nyers erőn alapul, de lehetővé teszi a szokásosnál gyorsabb végrehajtást. Képzelje el, hogy van egy érme az asztalon, és meg kell találnia, hogy hamis-e vagy sem. Ehhez kétszer meg kell néznie az érmét, és meg kell határoznia: a „fejek” és a „farok” valódiak, két „fej”, két „farok” hamis. Tehát, ha a Deutsch kvantum algoritmust használja, akkor ez a meghatározás egyetlen pillantással - méréssel - elvégezhető.
A kvantumszámítógépek problémái
A kvantumszámítógépek tervezése és üzemeltetése során a tudósok és mérnökök rengeteg problémával szembesülnek, amelyeket a mai napig váltakozó sikerrel sikerült megoldani. Alapján () a következő problémákat lehet azonosítani:
- A környezet iránti érzékenység és a környezettel való interakció
- Hibák halmozódása a számítások során
- Nehézségek a qubit állapotok kezdeti inicializálásával
- Több qubites rendszerek létrehozásának nehézségei
Nagyon ajánlom a cikk elolvasását "”, különösen a hozzá fűzött megjegyzések.
Szervezzük az összes fő problémát három nagy csoportba, és nézzük meg mindegyiket közelebbről:
Dekoherencia
.
Kvantum állapot nagyon törékeny dologaz összefonódott állapotban lévő qubitek rendkívül instabilak, bármilyen külső behatás tönkreteheti (és meg is teszi) ezt a kapcsolatot. Hőmérséklet-változás a fok legkisebb töredékével, nyomás, véletlenszerű foton repül a közelben – mindez destabilizálja rendszerünket.
Ennek a problémának a megoldására alacsony hőmérsékletű szarkofágokat építenek, amelyekben a hőmérséklet (-273.14 Celsius fok) valamivel az abszolút nulla felett van, a belső kamra a processzorral maximálisan elszigetelve a külső környezet minden (lehetséges) hatásától.
Egy több összefonódott qubitből álló kvantumrendszer maximális élettartamát, amely alatt megőrzi kvantumtulajdonságait, és számításokhoz használható, dekoherenciaidőnek nevezzük.
Jelenleg a dekoherencia ideje a legjobb kvantummegoldásokban nagyságrendileg tíz és több száz mikroszekundum.
Van egy csodálatos ahol meg lehet nézni az összes létrehozott kvantumrendszerből. Ez a cikk csak két csúcsprocesszort tartalmaz példaként – az IBM-től és onnan . Amint látjuk, a dekoherencia idő (T2) nem haladja meg a 200 μs-ot.
A Sycamore-ról nem találtam pontos adatokat, de a legtöbbben két szám van megadva - 1 millió számítás 200 másodperc alatt, máshol - for 130 másodperc a vezérlőjelek elvesztése nélkül stb.. Mindenesetre ez ad nekünk dekoherencia ideje körülbelül 150 μs. Emlékezz a miénkre kísérletező egy táskával? Hát itt van.
| számítógép neve | N Qubits | Max párosítva | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
Mivel fenyeget bennünket a dekoherencia?
A fő probléma az, hogy 150 μs elteltével az N összefonódott qubitből álló számítási rendszerünk valószínűségi fehér zajt kezd kiadni a helyes megoldások valószínűségi eloszlása helyett.
Vagyis szükségünk van:
- Inicializálja a qubit rendszert
- Számítás végrehajtása (kapuműveletek lánca)
- Olvassa el az eredményt
És mindezt 150 mikroszekundum alatt. Nem volt időm - az eredmény tökké változott.
De ez még nem minden…
Hibák
Ahogy mondtuk, a kvantumfolyamatok és a kvantumszámítás valószínűségi természetűek, nem lehetünk 100%-ig biztosak semmiben, de csak bizonyos valószínűséggel. A helyzetet tovább nehezíti, hogy A kvantumszámítás hibára hajlamos. A kvantumszámításban előforduló hibák fő típusai a következők:
- A dekoherencia hibákat a rendszer összetettsége és a külső környezettel való interakció okozza
- Kapu számítási hibák (a számítás kvantumjellegéből adódóan)
- Hibák a végső állapot leolvasásában (eredmény)
Dekoherenciával kapcsolatos hibák, megjelenik, amint összekuszáljuk a qubitjeinket és elkezdjük a számításokat. Minél több qubitet keverünk össze, annál bonyolultabb a rendszer, és annál könnyebb elpusztítani. Alacsony hőmérsékletű szarkofágok, védett kamrák, mindezen technológiai trükkök pontosan a hibák számának csökkentését és a dekoherenciaidő meghosszabbítását célozzák.
Kapu számítási hibák - a qubiteken bármilyen művelet (kapu) bizonyos valószínűséggel hibával végződhet, és az algoritmus megvalósításához több száz kaput kell végrehajtanunk, tehát képzeljük el, mit kapunk az algoritmusunk végrehajtásának végén. A klasszikus válasz a kérdésre: „Mekkora a valószínűsége annak, hogy egy dinoszaurusszal találkozunk egy liftben?” - 50x50, vagy találkozol, vagy nem.
A problémát tovább súlyosbítja, hogy a standard hibajavító módszerek (számítások megkettőzése és átlagolása) a klónozás tilalma tétele miatt nem működnek a kvantumvilágban. Mert a kvantumszámítástechnikában fel kellett találni . Nagyjából N darab közönséges qubitet veszünk, és készítünk belőle 1-et logikai qubit alacsonyabb hibaaránnyal.
De itt egy másik probléma merül fel - a qubitek teljes száma. Nézzük, tegyük fel, hogy van egy 100 qubites processzorunk, amiből 80 qubitet használunk hibajavításra, akkor már csak 20 marad a számításokhoz.
Hibák a végeredmény olvasásakor — mint emlékszünk, a kvantumszámítások eredményét formában tárjuk elénk a válaszok valószínűségi eloszlása. De a végső állapot olvasása hibával is meghiúsulhat.
Ugyanazon Vannak összehasonlító táblázatok a processzorokról hibaszintek szerint. Összehasonlításképpen vegyük ugyanazokat a processzorokat, mint az előző példában - az IBM и :
| Számítógép | 1-Qubit Gate Fidelity | 2-Qubit Gate Fidelity | Readout Fidelity |
| IBM Q System One | 99.96% | 98.31% | - |
| Google Sycamore | 99.84% | 99.38% | 96.2% |
Itt két kvantumállapot hasonlóságának mértéke. A hiba nagyságát durván 1-Fidelity-vel fejezhetjük ki. Amint látjuk, a 2 qubites kapuk hibái és a kiolvasási hibák jelentik a fő akadályt az összetett és hosszú algoritmusok végrehajtása előtt a meglévő kvantumszámítógépeken.
Többet lehet olvasni évtől hogy megoldja a hibajavítás problémáját.
Processzor architektúra
Elméletileg mi építünk és működünk tucatnyi összegabalyodott qubitből álló áramkörök, a valóságban minden bonyolultabb. Minden létező kvantumchip (processzor) úgy van felépítve, hogy fájdalommentességet biztosítson egyetlen qubit összefonódása csak a szomszédaival, amelyből hatnál nem több.
Ha össze kell kevernünk az 1. qubitet, mondjuk, a 12.-vel, akkor további kvantumműveletek láncolatának felépítése, további qubiteket stb. tartalmaznak, ami növeli az általános hibaszintet. Igen, és ne felejtsd el dekoherencia ideje, talán mire befejezi a qubitek csatlakoztatását a szükséges áramkörbe, az idő lejár, és az egész áramkör szép fehér zaj generátor.
Ne felejtsd el ezt sem Az összes kvantumprocesszor architektúrája eltérő, és az emulátorban „all-to-all connectivity” módban írt programot „újra kell fordítani” egy adott chip architektúrájába. Vannak még ennek a műveletnek a végrehajtásához.
Maximális csatlakoztathatóság és a qubitek maximális száma ugyanazon csúcslapkákhoz:
| számítógép neve | N Qubits | Max párosítva | T2 (µs) |
| IBM Q System One | 20 | 6 | 70 |
| Google Sycamore | 53 | 4 | ~ 150-200 |
És összehasonlításképpen táblázat a processzorok előző generációjának adataival. Hasonlítsa össze a qubitek számát, a dekoherencia idejét és a hibaarányt azzal, ami az új generációval rendelkezik. Ennek ellenére a fejlődés lassú, de mozgó.
Tehát:
- Jelenleg nincs 6 qubit feletti, teljesen összekapcsolt architektúra
- Például a 0. qubit valós processzoron való összefonásához a 15. qubit több tucat további műveletet igényelhet
- Több művelet -> több hiba -> a dekoherencia erősebb hatása
Eredményei
A dekoherencia a modern kvantumszámítástechnika prokrusztészi ágya. Mindent 150 μs-ba kell illesztenünk:
- A qubitek kezdeti állapotának inicializálása
- Probléma számítása kvantumkapuk segítségével
- Javítsa ki a hibákat, hogy értelmes eredményeket érjen el
- Olvassa el az eredményt
Az eddigi eredmények azonban csalódást keltőek alapján kvantumszámítógépen 0.5 s koherencia retenciós időt ér el :
0.5 s-ot meghaladó qubit koherencia időt mérünk, és mágneses árnyékolással azt várjuk, hogy ez 1000 s-nál hosszabb lesz.
Erről a technológiáról is olvashat vagy például .
A helyzetet tovább bonyolítja, hogy összetett számítások végzésekor kvantumhibajavító áramkörök alkalmazása szükséges, ami szintén felemészti az időt és a rendelkezésre álló qubiteket is.
És végül, a modern architektúrák nem teszik lehetővé az 1:4-nél vagy 1:6-nál jobb összefonódási sémák megvalósítását minimális költséggel.
Problémamegoldási módok
A fenti problémák megoldására jelenleg a következő megközelítéseket és módszereket alkalmazzák:
- Alacsony hőmérsékletű (10 mK (–273,14°C)) kriokamrák használata
- Olyan processzoregységek használata, amelyek maximálisan védettek a külső hatásoktól
- Kvantum hibajavító rendszerek használata (Logic Qubit)
- Optimalizálók használata áramkörök programozásakor egy adott processzorhoz
Kutatások folynak a dekoherencia idejének növelésére, a kvantumobjektumok új (és az ismert) fizikai megvalósítások felkutatására, a korrekciós áramkörök optimalizálására stb., stb. Van előrelépés (lásd fentebb a korábbi és a mai top-end chipek jellemzőit), de egyelőre lassú, nagyon-nagyon lassú.
D-Wave
D-Wave 2000Q 2000 qubites számítógép. Forrás:
A Google bejelentette, hogy egy 53 qubites processzorral kvantumfölényt ér el, и a D-Wave cégtől, amelyben a qubitek száma ezres nagyságrendű, kissé zavaró. Nos, tényleg, ha 53 qubit képes volt elérni a kvantumfölényt, akkor mire képes egy 2048 qubites számítógép? De nem minden olyan jó...
Röviden (a wikiből vettük):
Számítógépek elve alapján dolgozzon (), az optimalizálási problémák nagyon korlátozott alosztályát tudják megoldani, és nem alkalmasak hagyományos kvantumalgoritmusok és kvantumkapuk megvalósítására.
További részletekért elolvashatja pl. , (vigyázat, nem nyitható ki Oroszországból), ill в az övétől . Egyébként nagyon ajánlom a blogjának általános olvasását, nagyon sok jó anyag van ott
Általánosságban elmondható, hogy a bejelentések kezdetétől fogva a tudományos közösségnek voltak kérdései a D-Wave számítógépekkel kapcsolatban. Például 2014-ben az IBM megkérdőjelezte azt a tényt, hogy a D-Wave Odáig jutott, hogy 2015-ben a Google a NASA-val közösen vásárolt egy ilyen kvantumszámítógépet, és kutatást követően , hogy igen, a számítógép működik és gyorsabban kiszámolja a problémát, mint egy normál. A Google nyilatkozatáról bővebben olvashat és pl. .
A lényeg az, hogy a D-Wave számítógépek a maguk több száz és ezer qubitjével nem használhatók kvantumalgoritmusok kiszámítására és futtatására. Például nem futtathatja rajtuk a Shor-algoritmust. Csak annyit tehetnek, hogy bizonyos kvantummechanizmusokat alkalmaznak egy bizonyos optimalizálási probléma megoldására. Úgy tekinthetjük, hogy a D-Wave egy kvantum ASIC egy adott feladathoz.
Egy kicsit a kvantumszámítógép-emulációról
A kvantumszámítás emulálható egy normál számítógépen. Valóban, :
- A qubit állapota lehet összetett szám2x32-2x64 bitet (8-16 bájt) foglal el a processzor architektúrától függően
- N összekapcsolt qubit állapota 2^N komplex számként ábrázolható, azaz. 2^(3+N) 32 bites architektúrához és 2^(4+N) 64 bites architektúrához.
- Egy N qubiten végzett kvantumművelet egy 2^N x 2^N mátrixszal ábrázolható
Akkor:
- A 10 qubit emulált állapotának tárolásához 8 KB szükséges
- A 20 qubit állapotának tárolásához 8 MB-ra van szükség
- A 30 qubit állapotának tárolásához 8 GB szükséges
- 40 terabájt szükséges a 8 qubit állapotának tárolásához
- 50 qubit állapotának tárolásához 8 petabájt szükséges stb.
Összehasonlításképp, () csak 2.8 petabájt memóriát hordoz.
— 49 qubitet szállítottak tavaly a legnagyobb kínai szuperszámítógépnek ()
A kvantumszámítógép klasszikus rendszereken történő szimulációjának határát a qubitek állapotának tárolásához szükséges RAM mennyisége határozza meg.
Olvasásra is ajánlom . Onnan:
Működéssel - egy 49 qubit-es áramkör pontos emulálásához, amely körülbelül 39 „ciklusból” (független kapurétegekből) áll 2^63 összetett szorzás - 4 Pflop egy szuperszámítógép 4 órán keresztül
Egy 50+ kvbites kvantumszámítógép klasszikus rendszereken történő emulálása ésszerű időn belül lehetetlen. Ezért is használt a Google 53 qubites processzort a kvantumfölény kísérletéhez.
A kvantumszámítási fölény.
A Wikipédia a következő definíciót adja a kvantumszámítógép felsőbbrendűségére:
Kvantumfölény – képesség eszközök olyan problémák megoldására, amelyeket a klasszikus számítógépek gyakorlatilag nem tudnak megoldani.
Valójában a kvantumfölény elérése azt jelenti, hogy például nagy számok faktorizálása Shor algoritmussal megfelelő időben megoldható, vagy komplex kémiai molekulák kvantumszinten emulálhatók stb. Vagyis új korszak köszöntött be.
De van némi kiskapu a definíció megfogalmazásában:amelyeket a klasszikus számítógépek gyakorlatilag nem tudnak megoldani" Valójában ez azt jelenti, hogy ha létrehozunk egy 50+ qubites kvantumszámítógépet, és futtatunk rajta valamilyen kvantumáramkört, akkor, ahogy fentebb tárgyaltuk, ennek az áramkörnek az eredménye nem emulálható egy normál számítógépen. Azaz egy klasszikus számítógép nem lesz képes újra létrehozni egy ilyen áramkör eredményét.
Az, hogy egy ilyen eredmény valódi kvantumfölényt jelent-e vagy sem, inkább filozófiai kérdés. De értse meg, mit tett a Google, és mire épül szükséges.
A Google Quantum Supremacy nyilatkozata
Sycamore 54 qubit processzor
Így 2019 októberében a Google fejlesztői cikket tettek közzé a Nature című tudományos kiadványban." A szerzők a történelem során először jelentették be a kvantumfölény elérését az 54 qubit Sycamore processzor használatával.
Az online Sycamore cikkek gyakran hivatkoznak 54 qubites vagy 53 qubites processzorra. Az igazság az, hogy szerint , a processzor fizikailag 54 qubitből áll, de ezek közül az egyik nem működik, és kivonták a forgalomból. Így a valóságban egy 53 qubites processzorunk van.
Ott a weben anyagok ebben a témában, amelyek mértéke től változott a .
Az IBM kvantumszámítási csapata később ezt nyilatkozta . A cég állítása szerint egy hagyományos számítógép legrosszabb esetben 2,5 nap alatt megbirkózik ezzel a feladattal, és a kapott válasz pontosabb lesz, mint egy kvantumszámítógépé. Ezt a következtetést számos optimalizálási módszer elméleti elemzésének eredményei alapján állítottam le.
És természetesen, az övében Nem hagyhattam figyelmen kívül ezt a kijelentést. Övé az összes linkkel és szokás szerint érdemes rájuk szánni az idejét. Az agyon Ebben a GYIK-ban, és feltétlenül olvassa el a megjegyzéseket, ott vannak linkek az előzetes dokumentumokhoz, amelyek a hivatalos bejelentés előtt kiszivárogtak az interneten.
Mit csinált valójában a Google? A részletes megértéshez olvassa el Aaronsont, de röviden itt:
Természetesen elmondhatom, de elég hülyének érzem magam. A számítás a következő: a kísérletező létrehoz egy véletlenszerű C kvantumáramkört (azaz 1 qubites és 2 qubites kapuk véletlenszerű sorozatát a legközelebbi szomszédok között, például 20 mélységgel, amely n 2D hálózaton működik = 50-60 qubit). A kísérletező ezután elküldi C-t a kvantumszámítógépnek, és megkéri, hogy alkalmazza C-t 0 kezdeti állapotra, mérje meg az eredményt {0,1} bázison, küldjön vissza egy n-bites megfigyelt sorozatot (karakterláncot), és ismételjen meg néhányat. ezerszer vagy milliószor. Végül a C tudását felhasználva a kísérletvezető statisztikai tesztet végez, hogy megnézze, az eredmény egyezik-e a kvantumszámítógéptől várt kimenettel.
Nagyon röviden:
- Kapuk segítségével 20 qubit hosszúságú véletlenszerű áramkör jön létre
- Az áramkör a [0…0] kezdeti állapottal indul a végrehajtáshoz
- Az áramkör kimenete egy véletlenszerű bitsor (minta)
- Az eredmény eloszlása nem véletlenszerű (interferencia)
- A kapott minták eloszlását összehasonlítjuk a várttal
- Befejezi a kvantumfölényt
Vagyis a Google egy szintetikus problémát valósított meg egy 53 qubites processzoron, és a kvantumfölény elérésére vonatkozó állítását arra alapozza, hogy egy ilyen processzort nem lehet szabványos rendszereken ésszerű időn belül emulálni.
A megértésért - Ez a szakasz semmilyen módon nem csökkenti a Google teljesítményét, a mérnökök igazán nagyszerűek, és az a kérdés, hogy ez valódi kvantumfölénynek tekinthető-e vagy sem, mint korábban említettük, inkább filozófiai, mint mérnöki kérdés. De meg kell értenünk, hogy miután elértük ezt a számítási fölényt, egy lépést sem tettünk előre a Shor-algoritmus 2048 bites számokon való futtatásának képessége felé.
Összegzés
A kvantumszámítógépek és a kvantumszámítástechnika az információtechnológia nagyon ígéretes, nagyon fiatal és eddig kevéssé iparilag alkalmazható területe.
A kvantumszámítástechnika fejlődése (egyszer) lehetővé teszi számunkra, hogy megoldjuk a problémákat:
- Komplex fizikai rendszerek modellezése kvantumszinten
- Normál számítógépen a számítási bonyolultság miatt megoldhatatlan
A kvantumszámítógépek létrehozásának és működtetésének fő problémái:
- Dekoherencia
- Hibák (dekoherencia és kapu)
- Processzor architektúra (teljesen csatlakoztatott qubit áramkörök)
A dolgok jelenlegi állása:
- Valójában - a legelején .
- Még nincs VALÓDI kereskedelmi hasznosítás (és nem világos, hogy mikor lesz)
Mi segíthet:
- Valamiféle fizikai felfedezés, amely csökkenti a kábelezés és a processzorok működtetésének költségeit
- Olyan dolog felfedezése, amely egy nagyságrenddel növeli a dekoherencia időt és/vagy csökkenti a hibákat
Véleményem szerint (tisztán személyes vélemény) A tudás jelenlegi tudományos paradigmájában nem érünk el jelentős sikereket a kvantumtechnológiák fejlesztésében, itt minőségi áttörésre van szükségünk az alap- vagy alkalmazott tudomány egyes területein, ami lendületet ad az új ötleteknek és módszereknek.
Mindeközben tapasztalatokat gyűjtünk kvantumprogramozásban, kvantum algoritmusok gyűjtésében, létrehozásában, ötletek tesztelésében stb., stb. Várjuk az áttörést.
Következtetés
Ebben a cikkben végigjártuk a kvantumszámítástechnika és a kvantumszámítógépek fejlesztésének főbb mérföldköveit, megvizsgáltuk működési elvét, megvizsgáltuk, milyen főbb problémákkal szembesülnek a mérnökök a kvantumprocesszorok fejlesztése és üzemeltetése során, és azt is megvizsgáltuk, hogy milyen multi-qubit A D-számítógépek valójában azok. A Wave és a Google nemrégiben bejelentette a kvantumfölény elérését.
A színfalak mögé maradnak a kvantumszámítógépek programozásának kérdései (nyelvek, megközelítések, módszerek stb.), illetve a processzorok konkrét fizikai megvalósításával kapcsolatos kérdések, a qubitek kezelése, linkelése, olvasása stb. Talán ez lesz a következő cikk vagy cikkek témája.
Köszönöm a figyelmet, remélem, ez a cikk hasznos lesz valakinek.
(C)
Köszönetnyilvánítás
a lektoráláshoz és a forrásszöveghez fűzött megjegyzésekhez, valamint a cikkhez
információban gazdag megjegyzésekhez , és nem csak neki, ami nagyrészt segített kitalálni ezt a rejtvényt.
Minden cikk és publikáció szerzőjének, akinek anyagát a cikk megírásához felhasználták.
Az erőforrások listája
Aktuális cikkek a [The National Academies Press] oldaláról
Habr cikkei (véletlen sorrendben)
Válogatatlan (de nem kevésbé érdekes) cikkek az internetről
Tanfolyamok és előadások
Forrás: will.com